双闭环直流电动机数字调速系统设计

1、双闭环直流电动机数字调速系统设计主要技术数据：直流电动机 Ped=3kW Ued=220v Ied=17.3 ned=1500r/min电枢回路总电阻 R=2.50电动机回路电磁时间常数 TL=0.017s电动机机电时间常数 TM=0.076s电动机电势常数 Ce=0.1352V/rmin)晶闸管装置放大倍数 Ks=53品闸管整流电路滞后时间 Ts=0.0017s速度调节范围0-1500r/min，速度控制精度0.1%（额定转速时）电流过载倍数为1.5倍。直流电动机的控制电源采用晶闸管装置输入电压为0-5伏时可以输出0-264伏提供最大25安培输出电流速度检测采用光电编码器（光电脉冲信号发生器）采用双闭环环（速度环和电流环）控制方式计算机则要求采用51内核的单片机实现控制1. 分配系统资源，编写系统初始化和主程序模块2. 编写数字调节器软件模块3. 编写A/D转换器处理程序模块4. 编写输出控制程序模块5. 其它程序模块(数字滤波、显示与键盘等处理程序)双闭环直流调速系统设计框图直流电机的供电需要三相直流电，在生活中直接提供的三相交流380V电源，因此要进行整流，则本设计采用三相桥式整

2、流电路变成三相直流电源，最后达到要求把电源提供给直流电动机。如图设计的总框架。三相交流电源三相桥式整流电路直流电动机整流供电双闭环直流调速机驱动电路保护电路 双闭环直流调速系统设计总框架 转速、电流双闭环直流调速系统ASR-转速调节器 ACR-电流调节器 TG-测速发电机TA-电流互感器 UPE-电力电子变换器 Un*-转速给定电压Un-转速反馈电压Ui*-电流给定电压Ui-电流反馈电压双闭环直流调速系统电路原理图双闭环直流调速系统电路原理图直流调速系统常用的直流电源旋转变流机组静止式可控整流器直流斩波器或脉宽调制变换器晶闸管-电动机调速系统(简称V-M系统)的原理图。通过调节处罚装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压，从而实现平滑调速。和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不进在经济性和可靠性上都很大提高，而且在技术性能上也现实出较大的优越性。 VM系统原理电流调节器的设计(假定)在设计电流环时,因T1比Tm小得多,故电流的调节过程比转速的变化过程快得多,因此在电流调节器快速调节过程中,可以认为反电动势E基本不变。这样在设计电流环时,可以暂时不考虑

3、反电动势E电流环的动态结构图变化的影响而得到图所示的电流环近似动态结构图。为了使电流环稳态上做到无静差以获得理想的堵转特性,动态上保持电动机电枢电流的不超调,保证系统的跟随性。把电流环校正成典型I型系统,其传递函数为: 式中: Ki,i分别为电流调节器的比例放大系数和时间常数。根据“对消原理”,为了对消掉控制对象中时间常数较大的惯性环节,以使校正后系统的响应速度加快,取i=T1;PI调节器的比例放大系数Ki取决于系统的动态性能指标。根据“电子最佳调节原理”中的“二阶最佳系统”原理。取KiTi=05,由此可得: 确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数Ts。由电力拖动自动控制系统课本附表可知，三相桥式电路的平均失控时间 Ts=0.0017s。（2）电流滤波时间常数Toi。三相桥式电路的每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（12）Toi=3.3ms，因此取Toi=2ms=0.002s。（3）电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取。（4）电磁时间常数的确定。由前述已求出电枢回路总电感。 则电磁时间常数 选择电流调节器的结构根据设计要求，并保证稳态电流无静差，可按典型I型系

4、统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型调节器，其传递函数为 式中 -电流调节器的比例系数；-电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能：,参照附表6.2的典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的，因此基本确定电流调节器按典型I型系统设计。计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数：。电流开环增益：要求时，取，因此 于是，ACR的比例系数为 式中 电流反馈系数；晶闸管专制放大系数。校验近似条件电流环截止频率：（1） 晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件。（2） 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 满足近似条件。（3） 电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件。计算调节器电阻和电容按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为 , 取 ，取 ，取 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。 含滤波环节的PI型电流调节器转速调节器的设计转速环的动态结构图在转速调节器设计时,可以把已经设计好的电流环作为转速环的控制对象。由此得到转速环的动态结构图如图所示。为了实现转速无静差,提高系统动态抗扰性能,把转速环设计成典型I

5、I型系统,其传递函数为: 式中: Kn,n分别为转速调节器比例放大倍数和时间常数。根据II型典型系统参数确定的方法,有T1=hT2,于是有n=hTn,其中h为中频宽, Tn=Ton+2Ti,根据“调节器最佳整定设计法”,一般取h=5。然后按典型II型系统的最小闭环幅频特性峰值Mrmin准则,得: 确定时间常数（1）电流环等效时间常数1/KI。由前述已知，则 （2）转速滤波时间常数，根据所用测速发电机纹波情况，取.（3）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取 选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数式为 计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5，则ASR的超前时间常数为 则转速环开环增益 K 可得ASR的比例系数为 式中 电动势常数，转速反馈系数。检验近似条件转速截止频率为 （1）电流环传递函数简化条件为 满足简化条件。（2）转速环小时间常数近似处理条件为 满足近似条件。计算调节器电阻和电容取，则 ，取 , 取 , 取 含滤波环节的PI型转速调节器校核转速超调量当h=5时，查附表6.3典型型系统阶跃输入跟随性能指标得，不能满足设计要求。实际上，由于

6、附表6.3是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。计算超调量。设理想空载起动时，负载系数，已知， ， ，。当时，查得，而调速系统开环机械特性的额定稳态速降 式中 电机中总电阻 ；调速系统开环机械特性的额定稳态速降 ；为基准值，对应为额定转速。计算得 不能满足设计要求。校核动态最大速降 设计指标要求动态最大速降。在实际系统中，可定义为相对于额定转速时的动态速降。由，r/min h=5时，查附表得=81.2%，r/min 不满足动态最大转速降指标。转速超调的抑制从计算得的退饱和超调量，可知不满足动态指标要求，因此需加转速微分负反馈。加入这个环节可以抑制甚至消灭转速超调，同时可以大大降低动态速降。在双闭环调速系统中，加入转速微分负反馈的转速调节器原理图如图6.3所示。和普通的转速调节器相比，在转速反馈环节上并联了微分电容Cdn和滤波电阻Rdn，即在转速负反馈的基础上再叠加一个带滤波的转速负反馈的基础上再叠加一个带滤波的转速微分负反馈信号。 带转速微分负反馈的转速调节器含有转速微分负反馈的转速环动态结构框图如下图所示:含有

7、转速微分负反馈的转速环动态结构框图转速微分负反馈环节中待定的参数是和，其中转速微分时间常数，转速微分滤波时间常数是以选定，只要确定，就可以计算出和了。由工程设计方法，近似计算公式得： 设理想空载起动时，负载系数，已知：， ，。设计要求动态最大超调，取转速超调量为，则 则微分电容 滤波电阻 再次校核动态速降带转速微分负反馈时，转速微分时间常数相对值 又因为设计要求动态最大转速降，即则。上述已求出动态速降的基准值所以 参照附表6.5可知，当时，当时，而现在，需要满足，符合要求。可知满足要求。校核调整时间在转速微分时间常数相对值时，则调整时间，满足设计要求。 上述的超调校正选取是根据设计要求条件来选取的，即从开始选起，逐步减小并验证动态转速降以及调节时间，看是否满足要求。最后选择为最佳整定超调。从以上分析可得出结论，带转速微分负反馈的直流调速系统不仅使转速超调大大减小，而且大大降低动态速降。转速、电流双闭环直流自动调速转速与电流双闭环直流自动调速系统的工作过程 启动过程双闭环直流自动调速系统的启动过程可分为以下 3 个阶段。(1) 电流上升阶段。开始启动时, n=0, Ufn=0, Usi=Ug, 故 ST 的输入值很高, 使 ST 的输出 Us 迅速达到饱合限幅值- Usm, 在此后的启动升速过程中, 只要 Usi( 即 nn1)Ug/n, 则 ST 就将保

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